DE19953802A1 - Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms - Google Patents
Vorrichtung zur Befeuchtung eines GasstromsInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung dient zur Befeuchtung eines Gasstroms, insbesondere eines Prozeßgasstroms in einem PEM Brennstoffzellensystem, mit einem Behälter. Der Behälter weist wenigstens eine Gaseintrittsöffnung, wenigstens eine Gasaustrittsöffnung und wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr von Flüssigkeit auf. Die Flüssigkeit befindet sich in einem Teilbereich des Behälters, welcher in Richtung der Gravitation oberhalb der Gaseintrittsöffnung angeordnet ist. Ein anderer Teilbereich des Behälters weist ein gasdurchlässiges Trennelement auf, welches auf dem Weg des Gasstroms zu der Gasaustrittsöffnung angeordnet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuch
tung eines Gasstroms nach der im Oberbegriff von An
spruch 1 näher definierten Art.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Ver
fahren zur Befeuchtung von Gasströmen bekannt. Diese
Systeme nutzen dabei überwiegend verschiedenartige
Membranen, welche den Gasstrom von einem Flüssig
keitsstrom oder einer Flüssigkeitsvorratskammer tren
nen. Die Membranen lassen es dabei zu, daß Flüssig
keitsteilchen durch die Membran hindurch in den Gas
strom eintreten und von diesem aufgenommen und mit
transportiert werden. Insbesondere im Bereich der Be
feuchtung von Prozeßgasen für Brennstoffzellenanlagen
sind derartige Befeuchter anzutreffen, wobei hier ex
emplarisch auf die EP 0 831 543 A1 und die US
4,973,530 hingewiesen werden soll.
Aus der EP 0 629 014 B1 ist ein weiteres Verfahren zur
Befeuchtung von Prozeßgas für den Betrieb von Brenn
stoffzellen bekannt, bei dem feinzerstäubtes Wasser in
einer vorgegebenen, geregelten Menge mit Hilfe einer
Einspritzdüse aus einer Versorgungsleitung in eine
Gaszuführungsleitung der Brennstoffzelle eingespritzt
wird. Dabei wird ein Sollwert für die zuzuführende
Wassermenge in Abhängigkeit von Betriebsparametern
ermittelt und die Wassermenge wird über eine Regelung
exakt so dosiert, daß sich die gewünschte Feuchtigkeit
der Prozeßgase einstellt.
Die Nachteile sämtlicher aus dem Stand der Technik
bekannten Einrichtungen zur Befeuchtung von Gasströmen
liegen darin, daß diese sehr aufwendig sind und eine
komplexe Steuerung bzw. Regelung erforderlich machen.
Durch den Einsatz empfindlicher Bauteile, wie z. B. der
Membranen, haben diese Befeuchtersysteme eine hohe
Störanfälligkeit bzw. verursachen einen hohen War
tungsaufwand.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung
zur Befeuchtung eines Gasstroms zu schaffen, welche
eine Befeuchtung des Gasstroms mit wenigen, einfachen
Bauteilen realisiert und dabei auf eine aufwendige
Steuerung bzw. Regelung verzichten kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
Erfindungsgemäß befindet sich die Flüssigkeit in einem
Teilbereich des Behälters, welcher in Richtung der
Schwerkraft oberhalb der Gaseintrittsöffnung angeord
net ist. Das durch die Gaseintrittsöffnung einströmen
de Gas wird also von unten durch die Flüssigkeit ge
drückt. Selbstverständlich muß das durch die Gasein
trittsöffnung einströmende Gas dazu einen Druck auf
weisen, welcher größer ist als der durch die Flüssig
keitssäule auf den Bereich der Gaseintrittsöffnung
ausgeübte Druck. Auch für die weitere Strömung des
Gasstroms ist natürlich eine die Strömung aufrechter
haltende Druckdifferenz erforderlich. Diese kann z. B.
durch eine Kompression der Gase vor dem Eintritt in
den erfindungsgemäßen Befeuchter erfolgen.
Während die Gase die Flüssigkeit durchströmen, werden
sie mit dieser vermischt und ein Teil der Flüssigkeit
kann in dem Gas verdampfen. Der thermische Energiein
halt, sowohl der Gase als auch der Flüssigkeit, lie
fert die dafür benötigte Energie, so daß es neben ei
ner Befeuchtung der Gase auch zu einer Abkühlung der
selben kommt.
Nachdem das Gas beim Durchströmen der Flüssigkeit
Flüssigkeitsteilchen aufgenommen, teilweise verdampft
und seine relative Feuchte damit erhöht hat, gelangt
es in einen anderen Teilbereich zu einem gasdurchläs
sigen Trennelement. Dieses Trennelement ist so aufge
baut, daß es sowohl das Gas als auch den in dem Gas
enthaltenen Flüssigkeitsdampf durchtreten läßt, wäh
rend in der flüssigen Phase vorliegende Flüssig
keitströpfchen, welche von dem Gasstrom mittranspor
tiert bzw. mitgerissen wurden, das Trennelement nicht
passieren können. Diese Flüssigkeitströpfchen werden
also an dem Trennelement abgeschieden, bevor der Gass
trom zu der Gasaustrittsöffnung gelangt.
Dieser erfindungsgemäße Aufbau bietet den Vorteil, daß
in einem einfachen Bauelement eine Befeuchtung und
eine Abscheidung von gegebenenfalls in dem befeuchte
ten Gasstrom vorliegenden Flüssigkeitströpfchen er
folgt, wobei hier auf jegliche Regelung verzichtet
werden kann. Auch der Steuerungsaufwand läßt sich er
heblich reduzieren, da hier lediglich sichergestellt
werden muß, daß sich ausreichend Flüssigkeit in dem
dafür vorgesehenen Teilbereich des Behälters befindet.
Neben der extrem kompakten Bauweise bietet die erfin
dungsgemäße Vorrichtung außerdem den Vorteil, daß sie
sehr kostengünstig herzustellen ist.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Gas beim
Durchströmen der Flüssigkeit eine sehr effektive Küh
lung erfährt, die neben der Verdampfung auch durch den
direkten Kontakt und die damit verbundene Wärmeüber
tragung zwischen den beiden Medien bedingt ist. So
kann das Gas, falls es ein zu hohes Temperaturniveau
für seine spätere Weiterverwendung z. B. in einer
Brennstoffzelle aufweisen sollte, also gleichzeitig
mit der Befeuchtung auch abgekühlt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand
der Zeichnungen näher dargestellten Ausführungsbei
spiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemä
ßen Befeuchters; und
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Teils eines
Brennstoffzellensystems mit dem Einsatz des
erfindungsgemäßen Befeuchters.
In Fig. 1 ist ein schematischer Aufbau eines Befeuch
ters 1 dargestellt. Dieser Befeuchter 1 gliedert sich
in fünf in einem gemeinsamen Behälter 2 übereinander
angeordnete Teilbereiche A bis E. Die Teilbereiche A
bis E liegen dabei prinzipiell in Richtung der Gravi
tation übereinander, wobei jedoch auch eine leichte
Schräglage des Behälters 2 gegenüber der Senkrechten
möglich ist.
Die Teilbereiche A bis E werden von dem durch eine
Gaseintrittsöffnung 3 in den Befeuchter 1 einströmen
den Gas bzw. Prozeßgas in alphabetischer Reihenfolge,
in wenigstens grober Ausrichtung der Richtung der Gra
vitation folgend, von unten nach oben durchströmt.
Dabei gelangt das durch die Gaseintrittsöffnung 3 ein
strömende Prozeßgas zuerst in einen Teilbereich A,
welcher auch als Gasverteilerraum A bezeichnet werden
könnte.
Zwischen dem Teilbereich A und dem mit einer Flüssig
keit, z. B. Wasser (H2O), gefüllten Teilbereich B, be
findet sich eine Gasverteileinrichtung 4. Die Gasver
teileinrichtung 4 ist dabei in der Art einer flächen
förmigen Einblasdüse ausgeführt, um das von dem Gas
verteilerraum A in den mit Wasser befüllten Teilbe
reich B des Behälters 2 strömende Gas möglichst
gleichmäßig über die gesamte Querschnittsfläche des
Teilbereichs B und des in diesem befindlichen Wassers
zu verteilen.
Die Gasverteileinrichtung 4 kann dabei aus einem be
liebigen, an sich bekannten, porösen Material bestehen
oder sie kann in einer besonders günstigen Ausführung
aus einer Ansammlung von zahlreichen in Strömungsrich
tung des Prozeßgases ausgerichteten Kapillarrohren 5
ausgebildet sein.
Das durch die flächige Einblasdüse der Gasverteilein
richtung 4, über die gesamte Grundfläche des in dem
Teilbereich B befindlichen Wassers verteilte Gas
durchströmt das Wasser. Dabei nimmt das Gas Wasser auf
und transportiert dieses Wasser in Strömungsrichtung
mit. In dem Gemisch aus Gas und Wasserteilchen kommt
es zu einem Verdampfen von wenigstens einem Teil des
darin enthaltenen Wassers, wodurch das Gas befeuchtet
wird. Selbstverständlich kühlt sich dabei die Tempera
tur des Gases und des Wassers, überwiegend des in dem
Gas befindlichen Wassers, ab, da die für die Verdamp
fung benötigte Energie aus dem thermischen Energiein
halt der beiden Medien stammt.
Nach dem Durchströmen des stehenden Wassers gelangt
das Gemisch aus Gas und Wasserteilchen in einen freien
Teilbereich C. Zwischen dem freien Teilbereich C und
dem mit dem Wasser gefüllten Teilbereich B sind Prall
bleche 6 angeordnet, welche das Gemisch aus Gas und
Flüssigkeitsteilchen passieren lassen, jedoch ein
Hochschwappen oder Hochspritzen des Wassers aufgrund
von Erschütterungen, wie sie z. B. beim Einsatz in ei
nem mobilen Brennstoffzellensystem, z. B. einem Fahr
zeug, auftreten können, verhindern.
Das mit den Flüssigkeits- bzw. Wassertröpfchen behaf
tete Prozeßgas gelangt durch diese Anordnung von den
Prallblechen 6 und durch den freien Teilbereich C zu
einem im Teilbereich D angeordneten, für Gase und
Flüssigkeitsdampf durchlässigen Trennelement 7, in
welchem die in dem Gas enthaltenen Wassertröpfchen von
dem Gasstrom getrennt werden.
Bei dem Trennelement 7 kann es sich in bevorzugter Art
und Weise um ein räumliches Geflecht 7a aus einem ge
gen das jeweilige Prozeßgas resistenten Stoff, wie
z. B. einem Edelstahl-, Glasfaser- oder Kunststoffge
flecht, handeln. Das mit den Wassertröpfchen vermisch
te Prozeßgas durchströmt dabei das Trennelement 7,
wobei sich die in ihm enthaltenen Wassertröpfchen dann
in dem räumlichen Geflecht 7a des Trennelements 7 ab
setzen. Das Wasser sammelt sich in dem Trennelement 7
und tropft auf die Prallbleche 6 herunter. Durch die
Anordnung und Ausrichtung der Prallbleche 6 kann das
auskondensierte Wasser entlang der Prallbleche 6 flie
ßen und sich danach wieder im mit dem Wasser gefüllten
Teilbereich B sammeln.
Zusätzlich kommt es bereits beim Durchströmen des
freien Teilbereichs C zu einer Trennung von Gas und in
dem Gas transportierten flüssigen Wasser aufgrund der
Schwerkraft, so daß in dem Teilbereich D bereits ein
teilweise von Wasser in seiner flüssigen Phase befrei
ten Gas-Wassergemisch ankommt.
Im weiteren Verlauf der Strömung des Gasstroms
schließt sich in Strömungsrichtung an das räumliche
Geflecht 7a eine ebenfalls dem Trennelement 7 zuzu
rechnende Membran 7b an, welche Gase und Flüssigkeits
dampf zumindest in Strömungsrichtung des Gasstroms
durchläßt und die das Wasser in seiner flüssigen Phase
zurückhält. Als Material für die Membran 7b wären z. B.
die unter den geschützten Handelsbezeichnungen Gore
tex oder Sympatex bekannten Mikrofasermaterialen denk
bar.
Besonders günstig ist dabei der in Fig. 1 dargestellte
Aufbau des Trennelements 7. Die Membran 7b liegt dabei
auf der dem Teilbereich E, welcher prinzipiell einen
Gassammelraum E darstellt, zugewandten Seite des Tren
nelements 7, so daß zumindest der größte Teil der in
dem Gas verbleibenden Wassertröpfchen bereits vor dem
Erreichen der Membran 7b im räumlichen Geflecht 7a
zurückgeblieben ist. Somit läßt sich ein Benetzen der
Membran 7b mit dem Wasser vermeiden, was gegebenen
falls die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen könnte.
Von dem Gassammelraum E gelangt das feuchte, aber von
Wasser in seiner flüssigen Form freie Gas durch eine
Gasaustrittsöffnung 8 aus dem Befeuchter 1.
In einer alternativen vereinfachten Ausführungsform
der Erfindung kann das Trennelement 7 dabei auch je
weils ausschließlich aus entweder dem räumlichen Ge
flecht 7a oder aber der Membran 7b bestehen.
Neben den Prallblechen 6 ist in dem dargestellten Aus
führungsbeispiel eine weitere Möglichkeit eingesetzt,
das Wasser an einem Hochschwappen oder Hochspritzen
aufgrund von Erschütterungen zu hindern. Der mit dem
Wasser befüllte Teilbereich B wird dazu mit Füllkör
pern 9 aufgefüllt, von denen in Fig. 1 jedoch nur ei
nige prinzipmäßig angedeutet sind. Diese Füllkörper 9,
zwischen denen sich das Wasser befindet, verhindern
einerseits zu starke Bewegungen der Wasseroberfläche
und damit ein Spritzen oder Schwappen aufgrund von
äußeren Erschütterungen des Befeuchters 1, anderer
seits schaffen die Füllkörper 9 eine große "innere"
Oberfläche des sie umgebenden Wassers. Dies verbessert
die Aufnahme des Wassers durch das Gas und reduziert
gleichzeitig dessen Strömungsdruckverlust beim Durch
strömen des Teilbereichs B.
Für die Zufuhr der Flüssigkeit bzw. des Wassers sind
dabei zwei alternative Ausführungen möglich. Einer
seits kann das Wasser durch eine Öffnung 10 zur Zufuhr
von Wasser direkt in den Teilbereich B, also den mit
dem stehenden Wasser gefüllten Raum, geleitet werden.
Als einzige Steuerungsausgabe ist dabei sicherzustel
len, daß immer ausreichend Wasser in dem Teilbereich B
vorhanden ist. Dazu ist es zweckmäßig, über Füll
standssensoren 11 den Flüssigkeitsstand in dem Teilbe
reich B zu erfassen und, wenn erforderlich, Wasser
über die Öffnung 10 nachzufüllen. Dieses Nachfüllen
muß dabei über eine Flüssigkeitsfördereinrichtung 12
bzw. Pumpe 12 (in Fig. 1 nicht dargestellt) erfolgen,
da in dem Befeuchter 1, wie bereits erläutert, ein
Druckniveau oberhalb des Umgebungsdrucks herrschen
wird.
Andererseits kann die Zufuhr von Wasser komplett oder
auch nur teilweise, also zusätzlich zur Zufuhr durch
die Öffnung 10, über die in Fig. 1 punktiert angedeu
tete Öffnung 10' erfolgen. Die Öffnung 10' weist an
ihrem an dem Behälter 2 liegenden Endbereich eine Ein
richtung 13, wie z. B. eine Düse 13, zur Zerstäubung
des zugeführten Wasser auf. Durch diese Zerstäubung
wenigstens eines Teils des zugeführten Wassers kann
eine nochmals verbesserte Befeuchtung der Gase er
reicht werden, da diese sich in dem freien Teilbereich
C bereits teilweise von dem in seiner flüssigen Phase
transportierten Wasser getrennt hat, aber gegebenen
falls noch eine Aufnahmefähigkeit für fein zerstäubtes
Wasser aus der Düse 13 aufweist.
In Fig. 2 ist die Anordnung des Befeuchters 1 in einem
Teil eines Brennstoffzellensystems erkennbar. Das Gas
bzw. Prozeßgas gelangt durch die Gaszuleitung 14 zu
der Gaseintrittsöffnung 3 des Befeuchters 1. Alterna
tiv dazu wäre auch eine punktiert angedeutete Gaszu
führungsleitung 14' denkbar, welche über eine syphon
artige Anbindung 15 an die Gaseintrittsöffnung 3 si
cherstellt, daß das in dem Befeuchter 1 befindliche
Wasser nicht über die Gaseintrittsöffnung 3, z. B. im
Falle des Stillstands des Systems, in die Gaszufüh
rungsleitung 14' gelangen kann.
Von dem Befeuchter 1 wird das Prozeßgas über die Gas
austrittsöffnung 8 in ein Leitungselement 16 geleitet,
welche den Gasstrom zur Weiterverwendung, wie z. B. in
eine Brennstoffzelle (nicht dargestellt), bringt.
Außerdem ist an dem Befeuchter 1 die Öffnung 10 bzw.
10' zu erkennen, welche über Leitungselemente 17 mit
der Pumpe 12 verbunden ist. Die Pumpe 12 weist wieder
um eine Verbindung mit einem Vorratsbehälter 18 für
das Wasser bzw. die Flüssigkeit auf. Der Vorratsbehäl
ter 18 kann dabei Teil eines Wasserkreislaufsystems
einer größeren Anlage sein, in welches z. B. auch das
Produktwasser aus der elektrochemischen Reaktion der
Prozeßgase in einer Brennstoffzelle eingeleitet wird.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms, ins
besondere eines Prozeßgasstroms in einem PEM-
Brennstoffzellensystem, mit einem Behälter, wel
cher wenigstens eine Gaseintrittsöffnung, wenig
stens eine Gasaustrittsöffnung und wenigstens eine
Öffnung zur Zufuhr von Flüssigkeit aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Flüssigkeit in einem Teilbereich (B) des
Behälters (2), welcher in Richtung der Gravitation
oberhalb der Gaseintrittsöffnung (3) angeordnet
ist, befindet, wobei ein anderer Teilbereich (D)
des Behälters (2) ein gasdurchlässiges Trennele
ment (7) aufweist, welches auf dem Weg des Gas
stroms zu der Gasaustrittsöffnung (8) angeordnet
ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Teilbereich (B), in dem sich die
Flüssigkeit befindet, und dem Trennelement (7) ein
freier Teilbereich (C) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Teilbereich (B), in dem sich die
Flüssigkeit befindet und dem freien Teilbereich
(C) Prallbleche (6) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Gaseintrittsöffnung (3) und dem Teil
bereich (B), in dem sich die Flüssigkeit befindet,
eine Gasverteileinrichtung (4) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Gasverteileinrichtung (4) zahlreiche Kapillar
rohre (5) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Trennelement (7) ein räumliches Geflecht (7a)
aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Trennelement (7) eine Membran (7b) aufweist,
wobei die Membran (7b) für Gase und für Flüssig
keitsdampf in wenigstens einer Richtung durchläs
sig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilbereiche (A, B, C, D, E) in Richtung der Gra
vitation übereinander angeordnet sind, wobei die
Gaseintrittsöffnung (3) in einem untere Bereich
und die Gasaustrittsöffnung (8) in einem oberen
Bereich angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Teilbereich, in dem sich die Flüssigkeit be
findet, Füllkörper (9) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Füllkörper (9) als Schüttgut ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Füllkörper (9) als Gestrick ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Teilbereich (B), in dem sich die Flüssigkeit
befindet, einen Füllstandssensor (11) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Öffnung (10, 10') zur Zufuhr von Flüssigkeit
eine Verbindung (17) mit einem Vorratsbehälter
(18) für die Flüssigkeit aufweist, wobei in der
Verbindung (17) eine Flüssigkeitsfördereinrichtung
(12) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Flüssigkeitsfördereinrichtung (12) in Abhän
gigkeit von Daten des Füllstandssensors (11) steu
erbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
die wenigstens eine Öffnung (10) zur Zufuhr von
Flüssigkeit in dem Teilbereich (B), in dem sich
die Flüssigkeit befindet, angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
die wenigstens eine Öffnung (10') zur Zufuhr von
Flüssigkeit in dem freien Teilbereich (C) des Be
hälters angeordnet ist, wobei die Öffnung (10')
zur Zufuhr von Flüssigkeit eine Einrichtung (13)
zur Zerstäubung der zugeführten Flüssigkeit auf
weist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19953802A DE19953802A1 (de) | 1999-11-09 | 1999-11-09 | Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19953802A DE19953802A1 (de) | 1999-11-09 | 1999-11-09 | Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19953802A1 true DE19953802A1 (de) | 2001-05-17 |
Family
ID=7928381
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19953802A Withdrawn DE19953802A1 (de) | 1999-11-09 | 1999-11-09 | Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19953802A1 (de) |
-
1999
- 1999-11-09 DE DE19953802A patent/DE19953802A1/de not_active Withdrawn
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